如果想要达成水泥基材料的多功能化与智能化,例如实现融雪化冰、电磁屏蔽、电磁波吸收、对混凝土结构健康进行监测、能量存储以及制备水泥基固体电池这些目标,那么水泥基材料就需要具备一定的导电性能。水泥基复合材料的导电情况分为两个部分,其中主要部分是依靠分散在水泥基体中的导电功能材料通过隧道效应把基体内绝缘的部分连接起来,从而形成导电网络,而次要的导电部分则是由水泥石来传导。
所以,功能导电组分材料的种类、结构特征、材料尺寸、分散的均匀程度以及水泥浆料的水灰比等,都是影响水泥基复合材料导电性的关键因素。因此,对导电功能相在水泥基复合材料中的分散性以及导电网络结构进行调节和优化,这在研究中意义重大。
导电功能相包含石墨、炭黑、金属粉、钢渣、碳纤维、金属纤维和纳米碳材料等。在这些材料中,石墨和炭黑这类导电组分材料成本较低,不过由于它们的颗粒较大、表面疏水等因素,导致它们在水泥基材料中的分散性较差,而且存在导电阈值,当添加的量比较大时,会使混凝土的强度大幅降低。金属类导电材料的导电性能比较好,但是存在容易氧化、耐久性差等问题。纳米碳材料属于惰性材料,具有良好的导电性和耐久性,比如碳纤维、碳纳米管和石墨烯等。随着纳米科学技术的发展,研究人员逐渐发现了纳米材料的小尺寸效应、量子效应和成核效应等特殊功能,并且通过掺合型制备工艺开展了水泥基功能复合材料的制备和应用方面的研究。
掺合型制备工艺是把导电功能组分和水泥浆料随机混合分散,这是制备导电水泥基复合材料常用的方法之一。当添加的量不足时,这种工艺中的导电组分颗粒很难形成有效的导通网络,水泥基复合材料中存在纳米功能材料掺量的阈值,这就大大降低了导电纳米组分的利用率。